微尺度氣體流動特性研究.pdf

1、近二十年來，微加工技術(shù)得到長足發(fā)展，制作出各種微器件，并與測量、控制電路集成，形成微電子機械系統(tǒng)，顯示出了美好的應(yīng)用前景。為了更好的應(yīng)用微電子機械系統(tǒng)，必須研究微系統(tǒng)的特性及其與宏觀尺度問題的異同，微尺度流動就是其中的重要內(nèi)容之一。本文采用多種方法，著重討論微尺度氣體流動的特性。 微系統(tǒng)特征尺度一般為微米量級，其中的氣體流動具有較大的Knudsen數(shù)Kn，稀薄氣體效應(yīng)顯著。更重要的是經(jīng)典流體力學(xué)的根基——連續(xù)介質(zhì)假設(shè)可能失效，因

2、而必須采用新的方法研究微流動。 本文首先采用直接模擬蒙特卡羅(DirectSimulationMonteCarlo，DSMC)方法探討微流動的一般特性。提出了延拓網(wǎng)格方法處理壓力驅(qū)動的亞聲速流動壓力邊界條件在DSMC中的實現(xiàn)問題，并以之模擬了較大Kn范圍的微管道流動、Couette流動和后臺階流動。結(jié)果表明稀薄氣體效應(yīng)導(dǎo)致固壁邊界存在速度滑移，質(zhì)量流率變大；Kn越大，稀薄氣體效應(yīng)越強烈。小橫向尺度還導(dǎo)致了很高的粘性耗散，驅(qū)動流動

3、需要很高的壓差，密度變化劇烈，盡管流動速度及Mach數(shù)Ma都很小，可壓縮效應(yīng)仍然不可忽略，壓力沿管道非線性下降。當(dāng)壁面等溫時，流場的溫度變化很小。即使進(jìn)口溫度與壁面溫度不同，熱交換也僅在進(jìn)口附近明顯，管道大部分區(qū)域溫度變化仍可忽略。對于滑移流動和自由分子流，只要保證Kn、Ma相同，常溫常壓條件下的微尺度流動與低密度大尺度流動間就具有良好的相似性；而對于過渡領(lǐng)域流動，還必須保證溫度相同，或者尚存在一個與溫度相關(guān)的相似參數(shù)。詳細(xì)討論了微尺度

4、后臺階流動，其臺階Reynolds數(shù)Re是控制流動結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，給出了回流區(qū)長度與Re間的擬合關(guān)系；當(dāng)Re很小時，臺階后的同流區(qū)將消失。 稀薄氣體流動與連續(xù)流的界限通常是模糊的，NS方程或連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的失效問題，是微流動研究的重要內(nèi)容。尋求NS方程盡可能準(zhǔn)確的解，是解決這個問題的基礎(chǔ)。本文第二部分即基于此對微管道流動展開。首先在等溫假設(shè)條件下，從NS方程及涓移條件推導(dǎo)出封閉的控制方程組，并求得近似解析解，著重分析了壁面滑移速度

5、及質(zhì)量流率。進(jìn)一步，放棄等溫假設(shè)，采用漸近方法直接求解無量綱化的NS方程。等溫條件作為零階解得到，并給出了高階修正。同時還證明流動量以細(xì)長比的平方ε2為尺度變化。但是，上述漸近解對流動參數(shù)的要求很嚴(yán)格，限制了其在相對較短管道中的應(yīng)用。為此，進(jìn)行了ε、Kn的雙參數(shù)漸近分析，求得了ε《Kn2、ε～Kn2、ε～Kn1.5三種情況下直至O(Kn2)量級的各階解。與DSMC比較，漸近分析結(jié)果能夠應(yīng)用于短管道。討論了微管道流動的流場分布、質(zhì)量流率、